董若楠，張光杰，劉 淵，王曉鋒，李乾治

1(江南大學 數(shù)字媒體學院，江蘇 無錫 214122)

2(江南大學 物聯(lián)網(wǎng)學院，江蘇 無錫 214122)

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1 引 言

天地一體化信息網(wǎng)絡動態(tài)重構技術是指面臨人為無意、惡意攻擊或遭受惡劣自然環(huán)境的挑戰(zhàn)時，衛(wèi)星節(jié)點、通信鏈路發(fā)生故障，網(wǎng)絡仍能夠維持自身功能的技術.相對于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)，天地一體化信息網(wǎng)絡鏈路開放，衛(wèi)星節(jié)點直接暴露于空間軌道上，長期處于惡劣的自然環(huán)境中，容易遭受非法截獲、無意或蓄意干擾甚至摧毀，需要針對天地一體化信息網(wǎng)絡的動態(tài)重構方法展開研究.

但由于天地一體化網(wǎng)絡(SGIN)[1]是一個高度異構且結構復雜的信息網(wǎng)絡，具備高動態(tài)、分布式自組織等特點，解決技術問題與難點時耗資巨大，在實際部署SGIN之前，需要建立天地一化的信息網(wǎng)絡仿真實驗平臺，對網(wǎng)絡拓撲、相關協(xié)議、應用程序等進行嚴格評估及驗證[2].

云計算平臺可以為網(wǎng)絡仿真提供逼真的虛擬仿真環(huán)境，當下基于云平臺和虛擬化的網(wǎng)絡仿真已成為一種新趨勢[3,4].OpenStack作為當下Iaas云計算技術中的代表，依托虛擬化技術，實現(xiàn)計算、網(wǎng)絡、存儲等資源的虛擬化，完成物理資源的統(tǒng)一調(diào)度，在保證仿真逼真性的前提下實現(xiàn)對資源的充分利用.

本文基于OpenStack云平臺，依據(jù)STK仿真數(shù)據(jù)，協(xié)同控制衛(wèi)星鏈路的方法，構建動態(tài)變化的衛(wèi)星網(wǎng)絡仿真場景，提出了支持衛(wèi)星網(wǎng)絡動態(tài)收斂和通信服務遷移的可重構方法，實現(xiàn)面向天地一體化的動態(tài)重構技術.

2 相關工作

關于衛(wèi)星動態(tài)重構網(wǎng)絡的研究較少，文獻[5]研究衛(wèi)星網(wǎng)絡的高可用方案，利用延展帶寬資源分配的方法，對DDoS的攻擊實驗具備很好的防御效果，但是這種方法卻無法保證衛(wèi)星節(jié)點本身意外事故后的高可用.文獻[6]基于Dijkstra 算法依據(jù)雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡時延最短和時延抖動實現(xiàn)路由策略，并通過實驗證明這種方法效率具備良好性能，但這種方法依據(jù)的是衛(wèi)星運動的周期規(guī)律，采用靜態(tài)切換策略，無法應對非法攻擊等意外情況.文獻[7]針對基礎網(wǎng)絡設計一種可重構服務的算法，通過節(jié)點或最短鏈路為資源關鍵度的衡量指標實現(xiàn)網(wǎng)絡的動態(tài)感知，但未將該算法運用于實際場景中，無法保證其實用性.在高可用的通信方面，文獻[8]采用溫備份的方式，提高通信的可靠性與容錯性，但未能將NGN下一代通信網(wǎng)絡與衛(wèi)星網(wǎng)絡融合.

研究動態(tài)重構的方法，需要構建天地一體化仿真場景，目前關于衛(wèi)星網(wǎng)絡的仿真研究主要集中在理論模型的研究、基于離散事件驅(qū)動的數(shù)字仿真研究、基于虛擬化技術的網(wǎng)絡仿真研究等三個方面.

文獻[9]通過理論分析信道模型，利用STK衛(wèi)星工具包進行分析研究，生成較高精度的鏈路性能數(shù)據(jù).這種方法可以為衛(wèi)星網(wǎng)絡的仿真提供理論基礎，但理論建模的方法，只能從數(shù)據(jù)進行分析，無法支撐衛(wèi)星網(wǎng)絡協(xié)議的評估與驗證.

文獻[10]研究一種未來衛(wèi)星網(wǎng)絡結構，通過NS2仿真實驗驗證結構滿足發(fā)展的需求；文獻[11]依托OPNET研究一種網(wǎng)絡混合路由算法；文獻[12]基于QualNet與STK實現(xiàn)對衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的建模，并通過實驗證明建模仿真的正確性.離散事件驅(qū)動的數(shù)字仿真研究(NS2，OPNET，QualNet等)，可以將STK等理論分析的數(shù)據(jù)結果相結合，實現(xiàn)對復雜衛(wèi)星網(wǎng)絡的分析，具備可擴展、低成本的優(yōu)點，但這種方法無法生成現(xiàn)實的流量數(shù)據(jù)與現(xiàn)實系統(tǒng)交互，真實性不足.文獻[13]基于虛擬化技術對LEO衛(wèi)星鏈路進行仿真，以STK產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為依據(jù)，實現(xiàn)鏈路特性精確控制，但是文獻中只考慮了單條鏈路.文獻[14]依托虛擬化技術實現(xiàn)天地一體化網(wǎng)絡中衛(wèi)星鏈路仿真，采用這種方法，鏈路仿真既可以實現(xiàn)流量報文的現(xiàn)實交互，同時可以復現(xiàn)理論數(shù)據(jù)，保證仿真的逼真性，但文獻并未對高可用的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡展開研究，無法保證仿真網(wǎng)絡的可用性和網(wǎng)絡的穩(wěn)定性.文獻[15]設計了一種輕量級虛擬化與云平臺融合的方案，輕量級的虛擬化技術占用物理資源較少，可以擴展仿真的規(guī)模.基于虛擬化的仿真方法，可以綜合理論模型的研究、離散事件驅(qū)動的數(shù)字仿真研究的優(yōu)勢，既可以依托理論模型為數(shù)據(jù)依據(jù)，又可以實現(xiàn)低成本、大規(guī)模的仿真，而且虛擬化的仿真方法還可以產(chǎn)生真實的流量，對天地一體化的仿真場景進行逼真驗證，為此需要以虛擬化技術為基礎構建天地一體化信息網(wǎng)絡仿真實驗平臺，研究衛(wèi)星網(wǎng)絡動態(tài)重構的方法.

總之，綜合目前存在的網(wǎng)絡仿真方案及可重構方法，針對復雜多變的信息網(wǎng)絡，構建動態(tài)變化的天地一體化信息網(wǎng)絡仿真場景，研究面向衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的可重構方法意義重大.

3 基于云平臺的可重構信息網(wǎng)絡仿真體系

本文基于OpenStack仿真平臺，研究支持動態(tài)重構的天地一體化信息網(wǎng)絡，需要實現(xiàn)動態(tài)變化的衛(wèi)星網(wǎng)絡仿真，并研究衛(wèi)星和地面通信網(wǎng)絡的動態(tài)重構方法.

衛(wèi)星網(wǎng)絡的可重構可以由支持動態(tài)收斂的衛(wèi)星仿真節(jié)點來實現(xiàn)，地面網(wǎng)絡的動態(tài)重構則由支持通信服務遷移的方案來完成，以下為此展開詳細介紹.

3.1 仿真實驗體系架構

文獻[16]對時下幾種云平臺進行實驗測試，結果表明，OpenStack在計算密集型的應用中表現(xiàn)出較好的性能，所以本方法基于OpenStack云平臺實現(xiàn)分布式仿真環(huán)境的搭建.OpenStack云平臺通過NTP協(xié)議實現(xiàn)各個節(jié)點的時間同步，保證仿真的實時性；在控制節(jié)點實現(xiàn)鏡像服務、計算服務、網(wǎng)絡服務等的管理；在計算節(jié)點實現(xiàn)計算資源的虛擬化，是虛擬機具體運行的場所.

天地一體化網(wǎng)絡由衛(wèi)星網(wǎng)絡和地面通信網(wǎng)絡組成，網(wǎng)絡中主要包含仿真用戶、信關站和衛(wèi)星等，本文集成輕量級虛擬化docker與全虛擬化技術KVM，融合多尺度的虛擬技術，解決規(guī)模仿真與性能穩(wěn)定的矛盾.基于云平臺的實驗系統(tǒng)架構如圖1所示.衛(wèi)星與通信服務的信關站數(shù)量少所需資源多，用戶節(jié)點數(shù)量多占用資源少.在支持KVM的計算節(jié)點集成通信服務節(jié)點(信關站)與衛(wèi)星節(jié)點，衛(wèi)星節(jié)點(Satellite Node)中集成網(wǎng)絡的動態(tài)收斂方法，保證衛(wèi)星網(wǎng)絡的可重構；通信服務節(jié)點(Station Node)的集群方案，實現(xiàn)通信網(wǎng)絡的可重構.在支持docker的計算節(jié)點集成用戶節(jié)點，通過控制節(jié)點管控異常用戶，構造DDoS攻擊；在網(wǎng)絡節(jié)點實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的虛擬化管理，主要通過OVS虛擬交換機軟件實現(xiàn)對二層網(wǎng)絡的仿真，通過tap設備與veth pair實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡設備和網(wǎng)絡鏈路的仿真，利用linux內(nèi)核工具TC完成鏈路性能參數(shù)的控制，通過衛(wèi)星鏈路控制節(jié)點實現(xiàn)對衛(wèi)星網(wǎng)絡仿真的協(xié)同控制，保證仿真衛(wèi)星網(wǎng)絡的動態(tài)變化.

圖1 可重構信息網(wǎng)絡仿真實驗架構

3.2 衛(wèi)星網(wǎng)絡

為研究與驗證衛(wèi)星網(wǎng)絡的可重構技術，需要在云仿真實驗平臺中構建逼真性高、動態(tài)變化的衛(wèi)星網(wǎng)絡環(huán)境，分析衛(wèi)星鏈路特性并研究鏈路仿真的方法便顯得格外重要.文獻[13]以STK產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為依據(jù)，實現(xiàn)鏈路特性精確控制，但是文獻中只考慮了單條鏈路.衛(wèi)星網(wǎng)絡龐大而復雜，需要對衛(wèi)星仿真網(wǎng)絡中的所有鏈路參數(shù)實現(xiàn)協(xié)同控制，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡的實時仿真.

衛(wèi)星距地距離遠，根據(jù)總延時=發(fā)送延時+傳播延時+處理延時+排隊延時；此時的傳播延時便成了影響總延時的主要因素，傳播延時與傳播介質(zhì)和距離有關，假定電磁波的傳播速率為定值c，則傳播延時τ為，其中L為距離長度.而衛(wèi)星時刻處于周期運動，衛(wèi)星間的距離可能會發(fā)生變化.例如當衛(wèi)星間的相對位置發(fā)生變化(如圖2所示)，衛(wèi)星由p0位置到p1位置，與觀察衛(wèi)星間的距離發(fā)生從len0到len1的變化，傳輸距離的改變會導致兩顆衛(wèi)星間的鏈路延時變化.

圖2 衛(wèi)星鏈路分析示意圖

衛(wèi)星運動軌道為不同直徑大小的同心圓軌道，衛(wèi)星星座中同軌道星間距離保持不變，不同軌道間的星間距離發(fā)生周期變化，因此不同軌道間的鏈路延時變化為研究衛(wèi)星網(wǎng)絡仿真的關鍵部分.

3.3 支持動態(tài)收斂的衛(wèi)星節(jié)點

在保證真實的衛(wèi)星鏈路場景后，基于云平臺展開本文的可重構技術的研究，實現(xiàn)復雜網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)學習與感知，當網(wǎng)絡中衛(wèi)星仿真節(jié)點出現(xiàn)故障或當衛(wèi)星鏈路阻塞中斷的情況時，實現(xiàn)鏈路的擇優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)，滿足路由的自主學習與網(wǎng)絡重建.

本文在衛(wèi)星仿真節(jié)點中集成動態(tài)路由服務，主要由心跳探測模塊、拓撲學習過程、路徑計算過程、拓撲數(shù)據(jù)庫及路由表等組成，架構如圖3所示，下面對各個模塊及過程的具體情況展開介紹.

1)心跳探測模塊：模塊為了實現(xiàn)分布式衛(wèi)星路由，需要各個節(jié)點間建立聯(lián)系，通過心跳探測模塊發(fā)出周期性的探測響應包，相鄰節(jié)點可以確立鄰居關系也可以實時更新鄰居狀態(tài)，并傳遞所需信息.

2)拓撲學習過程：通過相鄰節(jié)點間的信息交換，拓撲學習模塊可以動態(tài)學習并建立自己的數(shù)據(jù)庫，通過相互的學習，保證分布式數(shù)據(jù)庫實時更新并保證數(shù)據(jù)的一致性.

3)拓撲數(shù)據(jù)庫：主要是經(jīng)過拓撲學習獲得，庫中保存同一區(qū)域下完整的衛(wèi)星節(jié)點信息，從而為下一步制作生成自身的路由表做準備.

4)路徑計算：是實現(xiàn)與生成路由表的關鍵部分，通過最短路徑計算，獲得最短路徑，為報文的分組轉(zhuǎn)發(fā)提供路由向?qū)?

圖3 可重構衛(wèi)星節(jié)點架構圖

5)路由表：為轉(zhuǎn)發(fā)模塊提供路由，每個衛(wèi)星節(jié)點，有自己的一套全網(wǎng)路由，并通過心跳檢測模塊動態(tài)更新數(shù)據(jù)，保證節(jié)點間的最優(yōu)路徑.

6)轉(zhuǎn)發(fā)模塊：根據(jù)自身路由表，實現(xiàn)最短路徑的分組轉(zhuǎn)發(fā).選擇較優(yōu)線路，保證服務質(zhì)量，同時在轉(zhuǎn)發(fā)模塊中添加數(shù)據(jù)包的延時分發(fā)功能，實現(xiàn)衛(wèi)星鏈路延時仿真，體現(xiàn)星間距離的動態(tài)變化.

3.4 支持動態(tài)遷移的通信服務

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡系統(tǒng)在實現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡的動態(tài)重構后，可保障星間通信的服務質(zhì)量，此時地面提供通信服務的網(wǎng)元(信關站)的高可用性，便成了影響通信服務的關鍵因素.信關站可能會因為自身物理狀態(tài)的損害，意外斷電或受到非法攻擊，無法提供正常的服務.為此設計一種集群備份的方法，通過實現(xiàn)可遷移服務，提高服務的抗干擾能力.

為實現(xiàn)高可用的通信服務，本文基于共享集群的設計理念，提出可遷移的通信服務方法，主要設計思想如下.

1)備份節(jié)點：為通信服務節(jié)點提供備份節(jié)點，確保當自身受到損害等意外情況，無法正常服務時，備份節(jié)點代管相關服務；

2)共享存儲：主節(jié)點與備份節(jié)點共享存儲數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)共享確保通信服務的順利接管，可維持用戶在網(wǎng)絡的狀態(tài)，保證通話、短消息等通信行為的正常執(zhí)行.

3)對外同一：主節(jié)點與備份節(jié)點對外透明無差，主節(jié)點與備份節(jié)點除本身ip地址外，還具備共享浮動的虛擬ip，服務組件監(jiān)聽共享虛擬ip，監(jiān)管通信服務，為此用戶對主備節(jié)點感受不到差別，保證透明性.

4)狀態(tài)監(jiān)測：主節(jié)點通過狀態(tài)報告模塊與備份節(jié)點的狀態(tài)監(jiān)測模塊實現(xiàn)狀態(tài)協(xié)調(diào)，當主節(jié)點正常運行時備份節(jié)點處于待機準備階段，當狀態(tài)報告出于宕機或聯(lián)系中斷狀態(tài)，備份節(jié)點轉(zhuǎn)變自身狀態(tài)為服務狀態(tài)，實現(xiàn)通信服務的遷移.

4 支持動態(tài)重構的關鍵技術

4.1 衛(wèi)星網(wǎng)絡協(xié)同仿真

在3.2中分析了衛(wèi)星鏈路的特性，為了復現(xiàn)不同軌道間的鏈路變化驗證動態(tài)重構的方法.實現(xiàn)對衛(wèi)星網(wǎng)絡的協(xié)同控制，展開以下研究.SDN通過編寫軟件的方法采用集中式的管理方式，可以靈活定義網(wǎng)絡設備的轉(zhuǎn)發(fā)功能，不需要在每個路由器或交換機上分別進行以設備為中心的配置更改，滿足協(xié)同仿真的需求，為此本文方法借鑒SDN的思想，采用一種數(shù)據(jù)控制分離、軟件可編程的體系架構，在圖1云仿真實驗平臺的衛(wèi)星鏈路控制節(jié)點中，實現(xiàn)衛(wèi)星鏈路的協(xié)同仿真技術.

技術的詳細架構如圖4所示，采用集中式的控制平面和分布式的轉(zhuǎn)發(fā)平面，兩個平面相互分離，通過轉(zhuǎn)發(fā)通信接口，控制平面實現(xiàn)對網(wǎng)絡設備的集中控制，實現(xiàn)衛(wèi)星節(jié)點間的鏈路仿真，具體實現(xiàn)過程如下.

1)衛(wèi)星鏈路控制節(jié)點從云平臺的控制節(jié)點獲取實驗網(wǎng)絡拓撲，并在業(yè)務層對衛(wèi)星鏈路的拓撲做抽象建模，通過STK中設置衛(wèi)星場景星歷時間、雨衰模型及大氣衰減模型、衛(wèi)星發(fā)射機功率、接收機功率等參數(shù)，實時仿真衛(wèi)星鏈路的狀態(tài)信息，STK仿真過程根據(jù)衛(wèi)星運動的行為軌跡，演練生成星間距離信息并傳至控制層.

2)測算模塊獲取鏈路信息數(shù)據(jù)，根據(jù)當前延時Dcur=Lcur/c(其中L為衛(wèi)星在空間中的幾何距離，c為電磁波的傳播速度)，計算生成鏈路的延時數(shù)據(jù)，并將處理過的數(shù)據(jù)同步到協(xié)同控制器.

3)協(xié)同控制器作為統(tǒng)一的控制單元，并行控制所有負責的衛(wèi)星節(jié)點，通過控制轉(zhuǎn)發(fā)通信接口與衛(wèi)星仿真節(jié)點實現(xiàn)交互.

4)衛(wèi)星節(jié)點根據(jù)收到協(xié)同控制器的鏈路控制信息，通過在虛擬網(wǎng)卡上建立隊列，以此控制數(shù)據(jù)分組的發(fā)送，根據(jù)入隊的時間Tarrive與控制信息的延時數(shù)據(jù)Tdelay，數(shù)據(jù)發(fā)送時間Tsend為：Tsend=Tarrive+Tdelay+ΔT，ΔT為底層封裝等可能因素造成的誤差.最終實現(xiàn)衛(wèi)星鏈路性能的協(xié)同仿真，構建動態(tài)變化的衛(wèi)星網(wǎng)絡場景.

圖4 協(xié)同仿真結構圖

4.2 衛(wèi)星網(wǎng)絡的動態(tài)切換

基于3.3介紹的節(jié)點架構及功能模塊，實現(xiàn)分布式衛(wèi)星節(jié)點軟路由的動態(tài)感知方法，針對衛(wèi)星網(wǎng)絡變化實現(xiàn)路由的動態(tài)可重構.實現(xiàn)的過程如下所示.

1)首先建立鄰居狀態(tài)，衛(wèi)星仿真節(jié)點Root以廣播的方式，向自己的鄰居節(jié)點發(fā)送心跳探測的報文.鄰居節(jié)點Neim(m=1…n)，收到鄰居Root發(fā)來的信息探測報文，修改自己的鄰居狀態(tài)為初始化狀態(tài)，將Root添加為自己的鄰居，回送帶有自己標識信息的報文給Root.Root收到報文后發(fā)現(xiàn)其中帶有自身的標識，同時帶有鄰居的信息，將狀態(tài)確立為鄰居建立狀態(tài)，并發(fā)送響應包，鄰居收到回復，確立建立鄰居狀態(tài).節(jié)點通過周期性的心跳探測維持與鄰居的連接關系，若一段時間未收到鄰居的心跳報文，則修改鄰居狀態(tài)，將兩點鏈路修改為不可達.

2)更新拓撲狀態(tài)數(shù)據(jù)庫：通過拓撲學習模塊，節(jié)點依次將自己作為Root節(jié)點，將本地拓撲信息發(fā)送給鄰居節(jié)點，鄰居節(jié)點Neim收到帶有Root數(shù)據(jù)庫中信息的報文并與本地拓撲狀態(tài)數(shù)據(jù)庫對比，然后返回請求報文.向發(fā)送方(Root)請求本地數(shù)據(jù)庫中未包含的鏈路的詳細信息，添加Root返回的拓撲信息到數(shù)據(jù)庫，最終節(jié)點掌握網(wǎng)絡中所有節(jié)點的拓撲信息，實現(xiàn)分布式拓撲數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)一，保證數(shù)據(jù)的一致性.

3)最優(yōu)路徑算法：通過學習模塊，拓撲狀態(tài)數(shù)據(jù)庫保存全網(wǎng)的節(jié)點路由信息，路由計算模塊以自身節(jié)點為根節(jié)點，并通過Dijkstra算法，建立到其他節(jié)點的最短路徑樹，構建本地路由表，保證最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā).

4)拓撲的動態(tài)重構：路由表建立后處于穩(wěn)定狀態(tài)，若通過心跳探測報文發(fā)現(xiàn)鄰居狀態(tài)發(fā)生變化則重新建立鄰居關系即通過重復1)-4)過程來更新數(shù)據(jù)庫.

5)轉(zhuǎn)發(fā)模塊根據(jù)本地路由表，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā).

4.3 通信服務的動態(tài)遷移

基于3.4介紹的可遷移的通信服務方案，實現(xiàn)支持動態(tài)重構的地面通信方法，可有效避免通信基站不可服務的意外情況.下面對實現(xiàn)的具體過程展開介紹.

1)備份節(jié)點開機啟動服務檢測程序，周期探測主節(jié)點是否處于正常工作狀態(tài)，若收到正常工作的回應報文則不做其他動作繼續(xù)探測，否則進入工作流程2)；

2)拿到程序預設的與主機共享的浮動IP，調(diào)用本地切換程序?qū)崿F(xiàn)對通信服務程序相關配置的修改，切換監(jiān)聽端口為浮動IP所對應的端口地址，更新通信服務程序.

3)備份節(jié)點切換成為主服務節(jié)點，并反饋信息給管理員，對初始主機節(jié)點進行故障檢測，排查與維護.

最終，通過傳輸(通信鏈路的動態(tài)切換)和服務(通信業(yè)務可遷移)的雙重保證，實現(xiàn)衛(wèi)星仿真網(wǎng)絡的動態(tài)可重構及網(wǎng)絡的高可用.

5 實驗分析與驗證

5.1 自動化構建天地一體化實驗場景

5.1.1 實驗的物理環(huán)境

基于本文的設計方法，基于OpenStack云平臺構建仿真實驗環(huán)境，其中控制節(jié)點處理器為Intel(R)Xeon(R)CPU E5-2620 v4*2，內(nèi)存64G；網(wǎng)絡節(jié)點處理器為Intel(R)Xeon(R)CPU E5-2609 v3*2，內(nèi)存為16G；計算節(jié)點1處理器為Intel(R)Xeon(R)CPU E5-4607 v2*4，內(nèi)存32G；計算節(jié)點2處理器為Intel(R)Xeon(R)CPU E5-2620 v3*2，內(nèi)存16G；操作系統(tǒng)均采用CentOS7.2，Openstack的版本是Mitaka.

5.1.2 自動化構建的仿真場景

在控制節(jié)點實現(xiàn)對虛擬節(jié)點的管理控制，同時為解決在仿真大規(guī)模場景時的構造復雜的問題，設計一種根據(jù)描述文件，自動化映射生成衛(wèi)星網(wǎng)絡仿真場景的方法.在云平臺中制作生成所需的鏡像文件，在本文中包含衛(wèi)星、信關站、正常仿真用戶、被控用戶、DDoS主控用戶等.

通過拓撲描述文件構建實驗場景，執(zhí)行自動化場景生成程序，能夠在云平臺中自動化構造天地一體化實驗場景，體現(xiàn)本文設計方法的便利性，改善了Openstack云平臺只能通過CLI或Web UI創(chuàng)建單一類型節(jié)點的弊端，并通過自動化映射程序，可自動規(guī)劃節(jié)點到指定計算節(jié)點，充分利用節(jié)點資源，避免因某個節(jié)點硬件資源限制無法實現(xiàn)大規(guī)模部署，同時本文設計方法還集成了docker與KVM多種虛擬化技術，并通過統(tǒng)一的部署程序?qū)崿F(xiàn)無差別映射.

圖5 STK場景

為驗證衛(wèi)星網(wǎng)絡的動態(tài)可重構方法的有效性，受限于實驗的物理資源，本實驗只選取6顆衛(wèi)星組成雙軌衛(wèi)星星座，并選取指定衛(wèi)星編號下掛載對比實驗組群；場景映射的程序部署在控制節(jié)點，將圖5所示的衛(wèi)星場景以及衛(wèi)星服務區(qū)域內(nèi)的服務站和用戶節(jié)點部署在實驗環(huán)境中，通過調(diào)用glance API獲取相應的鏡像文件，調(diào)用云平臺nova與neutron組件的API，實現(xiàn)虛擬節(jié)點的部署與網(wǎng)絡配置，完成仿真場景的規(guī)劃部署，最終生成的實驗場景如圖6所示.

圖6 高可用仿真實驗圖

5.2 協(xié)同仿真的實驗與分析

仿真衛(wèi)星的運動過程，受限于物理資源，構造三顆高軌與三顆低軌的圖6小規(guī)模仿真場景，STK控制星歷時間，驅(qū)動衛(wèi)星節(jié)點模擬衛(wèi)星運動，同軌道衛(wèi)星距離保持不變，不同軌道間星間距離發(fā)生變化，造成延時改變.每隔一小時采集軌道間鏈路往返一次的延時數(shù)據(jù)，總共采集六個小時，每組采集十組數(shù)據(jù)取平均值，驗證協(xié)同仿真方法的可行性.并取其中一條鏈路分析仿真結果與理論值的誤差大小.

根據(jù)圖7協(xié)同仿真實驗數(shù)據(jù)，可看到每條鏈路延時屬性的動態(tài)變化，證明本方法實現(xiàn)了控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面的分離，滿足集中控制分布實現(xiàn)的需求，可以實現(xiàn)衛(wèi)星多條鏈路延時參數(shù)協(xié)同仿真的效果，保證衛(wèi)星仿真節(jié)點動態(tài)機動的特性.通過圖8鏈路仿真延時數(shù)據(jù)，以LEO_GEO1作為目標案例，分析鏈路仿真的誤差大小，其中誤差率=(實際值-理論值)/理論值*100%，由實驗數(shù)據(jù)得到仿真的平均誤差率為0.153%，誤差率較小，仿真結果與理論值相近，證明本文方法是理想的仿真辦法.

圖7 協(xié)同仿真實驗

5.3 衛(wèi)星網(wǎng)絡的動態(tài)收斂實驗與分析

除了衛(wèi)星周期運動引起的規(guī)律網(wǎng)絡變化外，由于衛(wèi)星自身原因或因外界的非法攻擊的情況也會導致突發(fā)的網(wǎng)絡變化.在仿真過程中模擬衛(wèi)星意外掉電行為，采用隨機策略針對LEO_3和GEO_1進行衛(wèi)星故障仿真實驗，導致衛(wèi)星無法提供服務，取圖中的節(jié)點USR1與USR2(假定星地網(wǎng)絡鏈路參數(shù)不變)，并且節(jié)點中集成了traceroute路徑探索服務，通過USR1中探索USR2的可達路徑，每隔一小時采集路徑信息，來驗證方法能夠?qū)崿F(xiàn)鏈路狀態(tài)改變后的自主選擇.

圖8 LEO_GEO1鏈路仿真延時數(shù)據(jù)

實驗結果如圖9所示鏈路采集結果，顯示了各個采集時間點USR1到達USR2的路徑上經(jīng)過的衛(wèi)星節(jié)點，通過實驗結果所示，由于衛(wèi)星狀態(tài)的改變，衛(wèi)星節(jié)點能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)拓撲的路由學習，用戶的請求在鏈路發(fā)生變化后，自動調(diào)整轉(zhuǎn)發(fā)路徑，成功抵達目標用戶.通過實驗結果證明，本方法能夠在衛(wèi)星網(wǎng)絡的發(fā)生變化后的路徑動態(tài)切換，實現(xiàn)網(wǎng)絡重構，同時解決了目前云平臺中的動態(tài)路由問題.

圖9 LEO_GEO1路徑采集數(shù)據(jù)

5.4 通信服務的可遷移實驗

為驗證通信服務的高可用，取圖中的原始信關站Station_Test1與采用本文設計方法的Station_Test2.通過在云平臺中集成的分布式攻擊仿真方法，分別攻擊兩個站點，并通過USR1與USR2的通話方法，來驗證服務的可用性.證明本方法的可以實現(xiàn)通信服務的高可用與對攻擊的可抗性.為此兩組的實驗結果如表1所示.

表1 熱遷移實驗結果

實驗結果證明，初始信關站無法抵抗DDoS攻擊，受到攻擊時無法提供正常的服務，用戶發(fā)起通信的請求無法收到正?；貞瑹o法抵抗DDoS攻擊.采用本文的設計方法，則可以在受到攻擊后正常提供服務，可以提供高質(zhì)量的服務，保證服務的高可用性.

6 結束語

本文設計一種天地一體化網(wǎng)絡環(huán)境中的網(wǎng)絡動態(tài)重構方法，從高空與地面等多種維度保證服務的高可用，為衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的建設提供一定的參考價值，下一步研究天地一體化衛(wèi)星網(wǎng)絡的加密鑒權方法，保證高質(zhì)量的同時可以實現(xiàn)安全業(yè)務，同時研究提升天地一體化衛(wèi)星網(wǎng)絡動態(tài)重構實時性的方法.